脂肪酸

化学、特に生化学において、脂肪酸は飽和または不飽和の脂肪族鎖を持つカルボン酸です。天然に存在する脂肪酸のほとんどは、4～28個の偶数個の炭素原子からなる非分岐鎖です。 ^[1]脂肪酸は、微細藻類などの一部の種の脂質の主要成分（重量の最大70%）ですが、 ^[2]他の生物の中には単独の形で存在せず、代わりにトリグリセリド、リン脂質、コレステロールエステルという3つの主要なエステルクラスとして存在するものもあります。これらのいずれの形であれ、脂肪酸は動物にとって重要な食事性燃料源であるとともに、細胞にとって重要な構造成分でもあります。

脂肪酸（acide gras ）の概念は1813年にミシェル・ウジェーヌ・シェヴルールによって導入されましたが、^{[3] [4] [5]}当初はgraisse acideやacide huileux（「酸性脂肪」と「油性酸」）という異なる用語を使用していました。^[6]

脂肪酸は、長さ、飽和度と不飽和度、炭素含有量の偶数と奇数、直鎖と分岐鎖など、さまざまな方法で分類されます。

• 短鎖脂肪酸（SCFA）は、5個以下の炭素からなる脂肪族末端を持つ脂肪酸である（例：酪酸）。^[7]
• 中鎖脂肪酸（MCFA）は、6～12個の炭素^{[8]の脂肪族末端を持つ脂肪酸であり、}中鎖トリグリセリドを形成することができる。
• 長鎖脂肪酸（LCFA）は、13〜21個の炭素からなる脂肪族末端を持つ脂肪酸である。^[9]
• 超長鎖脂肪酸(VLCFA) は、22 個以上の炭素からなる脂肪族末端を持つ脂肪酸です。

飽和脂肪酸には C=C 二重結合がありません。飽和脂肪酸の化学式は CH ₃ (CH ₂ ) _n COOH で、nが異なります。重要な飽和脂肪酸はステアリン酸( n  = 16) で、これを水酸化ナトリウムで中和すると最も一般的な石鹸になります。

不飽和脂肪酸には 1 つ以上の C=C二重結合があります。C=C 二重結合はシス異性体またはトランス異性体のいずれかになります。

シス

シス配置とは、二重結合に隣接する 2 つの水素原子が鎖の同じ側に突き出ていることを意味します。二重結合の剛性により、その立体配座が固定され、シス異性体の場合は鎖が曲がり、脂肪酸の立体配座の自由度が制限されます。シス配置の鎖の二重結合が多いほど、柔軟性は低くなります。鎖に多くのシス結合がある場合、最もアクセスしやすい立体配座でかなり曲がった状態になります。たとえば、二重結合が 1 つのオレイン酸には「ねじれ」がありますが、二重結合が 2 つのリノール酸にはより顕著な曲がりがあります。二重結合が 3 つのα-リノレン酸は、フック型の形状を好みます。この効果は、脂肪酸が脂質二重層のリン脂質や脂肪滴のトリグリセリドの一部である場合など、制限された環境では、シス結合によって脂肪酸が密集する能力が制限され、膜や脂肪の融解温度に影響を与える可能性があるということです。ただし、シス不飽和脂肪酸は細胞膜の流動性を高めますが、トランス不飽和脂肪酸はそうではありません。

トランス

対照的に、トランス配置は、隣接する 2 つの水素原子が鎖の反対側にあることを意味します。その結果、鎖はあまり曲がらず、その形状は直鎖の飽和脂肪酸に似ています。

天然に存在する不飽和脂肪酸のほとんどでは、各二重結合の後ろには 3 個 ( n−3 )、6 個 ( n−6 )、または 9 個 ( n−9 ) の炭素原子が続き、すべての二重結合はシス配置になっています。トランス配置の脂肪酸(トランス脂肪) のほとんどは自然界には存在せず、人間による処理 (水素化など) の結果です。一部のトランス脂肪酸は、反芻動物(牛や羊など) の乳や肉にも自然に存在します。これらは、これらの動物のルーメン内で発酵によって生成されます。また、反芻動物の乳から作られた乳製品にも含まれており、食事からトランス脂肪酸を摂取した女性の 母乳にも含まれる場合があります。

さまざまな種類の不飽和脂肪酸間、および飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸間の幾何学的差異は、生物学的プロセスや生物学的構造（細胞膜など）の構築において重要な役割を果たします。

ほとんどの脂肪酸は偶数鎖で、例えばステアリン酸（C18）やオレイン酸（C18）は、偶数個の炭素原子で構成されています。一部の脂肪酸は炭素原子の数が奇数であり、これらは奇数鎖脂肪酸（OCFA）と呼ばれます。最も一般的なOCFAは、それぞれ飽和C15誘導体とC17誘導体、ペンタデカン酸とヘプタデカン酸で、乳製品に含まれています。^{[11] [12]}分子レベルでは、OCFAは偶数鎖の同族とは少し異なる方法で生合成および代謝されます。

最も一般的な脂肪酸は直鎖化合物であり、主炭化水素鎖に側鎖として結合した追加の炭素原子はありません。分岐鎖脂肪酸には、炭化水素鎖に結合した 1 つ以上のメチル基が含まれます。

天然に存在する脂肪酸のほとんどは、炭素原子の分岐していない鎖を持ち、一方の端にカルボキシル基(–COOH)、もう一方の端に メチル基(–CH3) があります。

脂肪酸の骨格中の各炭素原子の位置は、通常、−COOH 末端の 1 から数えて示されます。炭素番号x は、多くの場合 C- x (または C x ) と略され、x = 1、2、3 などとなります。これは、IUPACが推奨する番号付け方式です。

別の規則では、カルボキシル基の後の最初の炭素から始めて、ギリシャ語アルファベットの文字を順番に使用します。したがって、炭素 α (アルファ) は C-2、炭素 β (ベータ) は C-3 というようになります。

脂肪酸の長さは様々ですが、この 2 番目の規則では、鎖の最後の炭素は常に ω (オメガ) と表記されます。これはギリシャ語のアルファベットの最後の文字です。3 番目の番号付け規則では、その端から炭素を数え、「ω」、「ω−1」、「ω−2」というラベルを使用します。または、「ω− x」というラベルは「n− x」と表記され、「n」は鎖の炭素数を表します。^[d]

どちらの番号付け方式でも、脂肪酸鎖中の二重結合の位置は常にカルボキシル末端に最も近い炭素のラベルを付けることで指定されます。^[d]したがって、炭素数 18 の脂肪酸では、C-12 (または ω-6) と C-13 (または ω-5) の間の二重結合は、位置 C-12 または ω-6 にあると言われます。酸の IUPAC 命名、たとえば「オクタデク-12-エン酸」(またはより発音しやすい変形「12-オクタデカン酸」) は、常に「C」番号に基づいています。

^{Δ x、y、...}という表記は、伝統的に、 x、y 、...の位置に二重結合を持つ脂肪酸を指定するために使用されます(ギリシャ語の大文字「Δ」(デルタ) は、ローマ字の「D」(二重結合) に対応します)。したがって、たとえば、20 炭素のアラキドン酸はΔ ^5,8,11,14であり、これは炭素 5 と 6、8 と 9、11 と 12、14 と 15 の間に二重結合があることを意味します。

人間の食事や脂肪代謝の文脈では、不飽和脂肪酸は、必須脂肪酸のように二重結合が複数ある場合でも、ω炭素に最も近い二重結合の位置によって分類されることが多い。したがって、リノール酸（炭素数18、Δ ^9,12）、γ-リノール酸（炭素数18、Δ ^6,9,12）、アラキドン酸（炭素数20、Δ ^5,8,11,14）はすべて「ω−6」脂肪酸に分類され、その式は–CH =CH– CHで終わる。
₂– CH
₂– CH
₂– CH
₂– CH
₃。

炭素原子の数が奇数である脂肪酸は奇数鎖脂肪酸と呼ばれ、それ以外は偶数鎖脂肪酸と呼ばれます。この違いは糖新生に関係しています。

次の表は、脂肪酸の命名に最も一般的なシステムを示しています。

エステルではなく血漿中（血漿脂肪酸）を循環している脂肪酸は、非エステル化脂肪酸（NEFA）または遊離脂肪酸（FFA）と呼ばれます。FFAは常にアルブミンなどの輸送タンパク質に結合しています。^[15]

FFAは加水分解によってトリグリセリド食用油脂からも生成され、特徴的な酸敗臭の原因となります。^[16]バイオディーゼルでも同様のプロセスが起こり、部品の腐食のリスクがあります。

脂肪酸は通常、トリグリセリドを加水分解してグリセロールを除去することによって工業的に生産されます（油脂化学品を参照）。リン脂質も別の供給源です。一部の脂肪酸はアルケンのヒドロカルボキシル化によって合成されます。^[17]

動物では、脂肪酸は主に肝臓、脂肪組織、授乳中の乳腺で炭水化物から形成されます。^[18]

炭水化物は、解糖系によってピルビン酸に変換され、これが炭水化物から脂肪酸への変換における最初の重要なステップである。^{[18]次に、ピルビン酸は}ミトコンドリアで脱炭酸されてアセチルCoAを形成する。しかし、このアセチルCoAは、脂肪酸の合成が起こる細胞質に輸送される必要がある。これは直接起こることはできない。細胞質のアセチルCoAを得るために、クエン酸（アセチルCoAとオキサロ酢酸の縮合によって生成される）がクエン酸回路から取り除かれ、ミトコンドリア内膜を通って細胞質に運ばれる。^{[18]そこで、} ATPクエン酸リアーゼによってアセチルCoAとオキサロ酢酸に分解される。オキサロ酢酸はリンゴ酸としてミトコンドリアに戻される。^[19]細胞質アセチルCoAはアセチルCoAカルボキシラーゼによってカルボキシル化されマロニルCoAとなり、脂肪酸合成の最初のステップとなる。^{[19] [20]}

マロニルCoAは、その後、成長する脂肪酸鎖を一度に2つの炭素分ずつ長くする一連の反応の繰り返しに関与する。したがって、ほとんどすべての天然脂肪酸は、炭素原子の数が偶数である。合成が完了すると、遊離脂肪酸はほぼ常にグリセロールと結合して（グリセロール分子1つに対して脂肪酸3つ）、動物における脂肪酸、ひいてはエネルギーの主な貯蔵形態であるトリグリセリドを形成する。しかし、脂肪酸は、細胞のすべての膜（細胞壁、および細胞内のすべての細胞小器官を囲む膜、例えば核、ミトコンドリア、小胞体、ゴルジ体）を構成するリン脂質二重層を形成するリン脂質の重要な成分でもある。^[18]

動物の血液中に見られる「非結合脂肪酸」または「遊離脂肪酸」は、貯蔵されたトリグリセリドの分解（または脂肪分解）によって生成されます。 ^{[18] [21]}これらの脂肪酸は水に溶けないため、血漿アルブミンに結合して輸送されます。血液中の「遊離脂肪酸」のレベルは、アルブミン結合部位の利用可能性によって制限されます。ミトコンドリアを持つすべての細胞（中枢神経系の細胞を除く）は、血液から遊離脂肪酸を取り込むことができます。脂肪酸は、ミトコンドリア内でのみ、ベータ酸化によって分解され、その後クエン酸回路でさらに燃焼して二酸化炭素_{と水になります。中枢神経系の細胞は、ミトコンドリアを持っていますが、}血液脳関門が短鎖脂肪酸と中鎖脂肪酸を除くほとんどの遊離脂肪酸を透過しないため、血液から遊離脂肪酸を取り込むことはできません。^{[要出典] [22] [23]}これらの細胞は、細胞膜や細胞小器官のリン脂質を生成・維持するために、前述のように炭水化物から独自の脂肪酸を製造しなければなりません。^[18]

哺乳類と爬虫類の細胞膜に関する研究により、哺乳類の細胞膜は爬虫類よりも高い割合で多価不飽和脂肪酸（ DHA、オメガ−3 脂肪酸）で構成されていることを発見しました。^[24]鳥類の脂肪酸組成に関する研究では、哺乳類と同様の割合が報告されていますが、一定の体格ではオメガ−6脂肪酸に比べてオメガ−3 脂肪酸が 1/3 少ないことが分かっています。 ^[25]この脂肪酸組成により、細胞膜はより流動的になりますが、さまざまなイオン（H ⁺およびNa ⁺ ）を透過するため、細胞膜の維持コストが高くなります。この維持コストが、哺乳類と鳥類の高い代謝率とそれに伴う温血動物である主な原因の 1 つであると主張されています。^[24]ただし、細胞膜の多価不飽和化は、慢性的な低温への反応としても発生する可能性があります。魚類では、環境が寒くなると細胞膜中の一価不飽和脂肪酸と多価不飽和脂肪酸の含有量が増加し、低温でも膜の流動性（および機能性）が維持される。 [ ^{26] [27]}

次の表は、一般的な食事性脂肪の脂肪酸、ビタミンE、コレステロールの組成を示しています。 ^{[28] [29]}

脂肪酸は他のカルボン酸と同様の反応を示し、エステル化および酸塩基反応を起こします。

脂肪酸は、それぞれのp K _aで示されるように、酸性度に大きな変化はありません。たとえば、ノナン酸の p K _aは 4.96 で、酢酸 (4.76) よりわずかに弱いだけです。鎖長が長くなるにつれて、脂肪酸の水への溶解度は低下するため、鎖長の長い脂肪酸は水溶液のpHにほとんど影響を与えません。中性 pH 付近では、脂肪酸は共役塩基、つまりオレイン酸などで存在します。

エタノール中の脂肪酸溶液は、フェノールフタレインを指示薬として水酸化ナトリウム溶液で滴定することができます。この分析は、脂肪の遊離脂肪酸含有量、すなわち加水分解されたトリグリセリドの割合を決定するために使用されます。

脂肪酸の中和は鹸化（石鹸作り）の一種であり、金属石鹸を製造するために広く行われている方法です。^[31]

不飽和脂肪酸の水素化は広く行われている。典型的な条件は、2.0～3.0 MPaのH ₂圧、150 °C、触媒としてシリカに担持されたニッケルである。この処理により飽和脂肪酸が得られる。水素化の程度はヨウ素価で示される。水素化された脂肪酸は酸敗しにくい。飽和脂肪酸は不飽和前駆体よりも融点が高いため、このプロセスは硬化と呼ばれる。関連技術は、植物油をマーガリンに変換するのに使用されている。トリグリセリドの水素化（脂肪酸と比較して）は、カルボン酸がニッケル触媒を分解してニッケル石鹸を生成するため有利である。部分水素化中、不飽和脂肪酸はシス配置からトランス配置に異性化することができる。^[17]

より強い水素化、つまりより高い水素圧力とより高い温度を使用すると_、脂肪酸は脂肪アルコールに変換されます。ただし、脂肪アルコールは脂肪酸エステルからの方が簡単に生成されます。

ヴァレントラップ反応では、特定の不飽和脂肪酸が溶融アルカリ中で分解されます。この反応は、かつては構造解明に関連していました。

不飽和脂肪酸とそのエステルは、CH結合がCO結合に置き換わる自動酸化を受けます。このプロセスには酸素（空気）が必要で、触媒として機能する微量の金属の存在によって加速されます。二重不飽和脂肪酸は特にこの反応を起こしやすい傾向があります。植物油はトコフェロールなどの抗酸化物質を含んでいるため、このプロセスに多少抵抗します。脂肪や油は、金属触媒を除去するために クエン酸などのキレート剤で処理されることがよくあります。

不飽和脂肪酸はオゾンによる分解を受けやすい。この反応はオレイン酸からアゼライン酸（(CH ₂ ) ₇ (CO ₂ H) ₂ ）を生成する際に行われる。^[17]

短鎖脂肪酸と中鎖脂肪酸は、腸の毛細血管から直接血液に吸収され、他の吸収された栄養素と同様に門脈を通って移動します。しかし、長鎖脂肪酸は腸の毛細血管に直接放出されるのではなく、腸絨毛の脂肪壁に吸収され、再びトリグリセリドに再結合します。トリグリセリドはコレステロールとタンパク質（タンパク質コート）で覆われ、カイロミクロンと呼ばれる化合物になります。

細胞内から、カイロミクロンは乳管と呼ばれる毛細リンパ管に放出され、より大きなリンパ管に合流します。カイロミクロンはリンパ系と胸管を経由して心臓の近く（動脈と静脈が大きい場所）まで輸送されます。胸管はカイロミクロンを左鎖骨下静脈経由で血流に排出します。この時点で、カイロミクロンはトリグリセリドを組織に輸送し、そこでトリグリセリドは貯蔵されるか、エネルギーとして代謝されます。

脂肪酸は、細胞内のミトコンドリアによってベータ酸化とクエン酸回路を経て_{二酸化炭素}と水に分解されます。最終段階（酸化的リン酸化）では、酸素との反応で大量のエネルギーが放出され、大量のATPの形で捕捉されます。多くの細胞型は、この目的でグルコースまたは脂肪酸のいずれかを使用できますが、脂肪酸はグラムあたりのエネルギー放出量が多いです。脂肪酸（摂取または脂肪組織に蓄えられたトリグリセリドを利用することで供給）は細胞に分配され、筋肉の収縮や一般的な代謝の燃料として機能します。

健康に必要であるが、他の基質から十分な量を作ることができないため、食物から摂取しなければならない脂肪酸は、必須脂肪酸と呼ばれます。必須脂肪酸には2つのシリーズがあります。1つはメチル末端から3炭素原子離れたところに二重結合があり、もう1つはメチル末端から6炭素原子離れたところに二重結合があります。人間は、カルボン酸側から数えて9番目と10番目を超える炭素に脂肪酸の二重結合を導入する能力がありません。^[32] 2つの必須脂肪酸は、リノール酸（LA）とα-リノレン酸（ALA）です。これらの脂肪酸は、植物油に広く分布しています。人体は、ALAをより長鎖のオメガ3脂肪酸であるエイコサペンタエン酸（EPA）とドコサヘキサエン酸（DHA）に変換する能力が限られており、これらも魚から摂取できます。オメガ3脂肪酸とオメガ6脂肪酸は、抗鎮痛作用、抗不安作用、神経作用を持つエンドカンナビノイドの生合成前駆体である。^[33]

血液中の脂肪酸は、血液循環のさまざまな段階で異なる形態をとります。腸管からカイロミクロンとして取り込まれますが、肝臓で処理された後、超低密度リポタンパク質（VLDL）と低密度リポタンパク質（LDL）の形で存在します。また、脂肪細胞から放出されると、脂肪酸は遊離脂肪酸として血液中に存在します。

哺乳類の皮膚から分泌される脂肪酸の混合物は、乳酸やピルビン酸と相まって特徴的であり、鋭い嗅覚を持つ動物が個体を区別することを可能にすると考えられています。^[34]

表皮の最外層である角質層は、脂質マトリックス内の終末分化および脱核した角質細胞で構成されています。 ^[35]遊離脂肪酸は、コレステロールやセラミドとともに、水分の蒸発を防ぐ水不浸透性のバリアを形成します。^[35]一般的に、表皮脂質マトリックスは、セラミド（重量の約50％）、コレステロール（25％）、および遊離脂肪酸（15％）の等モル混合物で構成されています。^[35]長さが16および18の炭素の飽和脂肪酸が表皮で優勢なタイプですが、^{[35] [36]}不飽和脂肪酸と他の様々な長さの飽和脂肪酸も存在します。^{[35] [36]}表皮内のさまざまな脂肪酸の相対的な豊富さは、皮膚が覆われている体の部位によって異なります。^[36]乾癬、アトピー性皮膚炎、その他の炎症性疾患では、特徴的な表皮脂肪酸の変化も見られます。^{[35] [36]}

脂質中の脂肪酸の化学分析は、通常、元のエステル（トリグリセリド、ワックス、リン脂質など）を分解してメチルエステルに変換するエステル交換ステップから始まり、その後、ガスクロマトグラフィー^{[37]で分離するか、}ガスクロマトグラフィーと中赤外分光法で分析します。

不飽和異性体の分離は、銀イオンを補完する薄層クロマトグラフィーによって可能である。^[38]他の分離技術には、高性能液体クロマトグラフィー（水素原子が銀イオンに交換された結合フェニルスルホン酸基を有するシリカゲルを充填した短いカラムを使用）がある。銀の役割は、不飽和化合物と錯体を形成する能力にある。

脂肪酸は主に石鹸の製造に使用され、化粧品としてだけでなく、金属石鹸の場合は潤滑剤としても使用されます。脂肪酸はメチルエステルを介して脂肪アルコールや脂肪アミンに変換され、界面活性剤、洗剤、潤滑剤の前駆体となります。^{[17]その他の用途としては、}乳化剤、テクスチャー剤、湿潤剤、消泡剤、安定剤としての使用があります。 ^[39]

脂肪酸とより単純なアルコールのエステル（メチル、エチル、n-プロピル、イソプロピル、ブチルエステルなど）は、化粧品やその他のパーソナルケア製品の皮膚軟化剤として、また合成潤滑剤として使用されます。脂肪酸とより複雑なアルコールのエステル（ソルビトール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコールなど）は、食品として消費されるか、パーソナルケアや水処理に使用され、または合成潤滑剤や金属加工用の流体として使用されます。

ウィキメディア・コモンズには脂肪酸に関連するメディアがあります。

Scholia には脂肪酸の化学クラスプロファイルがあります。

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